Στη βιομηχανική παραγωγή και την καθημερινή εφαρμογή εξοπλισμού, τα μπουλόνια χρησιμεύουν ως συνδετήρες πυρήνα που είναι υπεύθυνοι για τη στερέωση, τη σύνδεση και τη μεταφορά δομικών φορτίων. Κατά τη μακροχρόνια υπηρεσία,μπουλόνιαεπηρεάζονται από πολλούς παράγοντες όπως οι συνθήκες φορτίου, το περιβάλλον εργασίας, οι διαδικασίες κατασκευής και η ποιότητα συναρμολόγησης, που μπορεί εύκολα να οδηγήσουν σε αστοχία θραύσης. Αυτό μπορεί να προκαλέσει περαιτέρω διακοπή λειτουργίας του εξοπλισμού, δομική αστοχία και ακόμη και σοβαρά ατυχήματα ασφάλειας. Αυτή η εργασία εισάγει συστηματικά τις κοινές μορφές θραύσης, τους μηχανισμούς σχηματισμού, τα μακροσκοπικά χαρακτηριστικά θραύσης του κατάγματος υπερφόρτωσης, τις θέσεις θραύσης υψηλού κινδύνου και τις καταστάσεις θραύσης κάτω από διαφορετικές συνθήκες φόρτωσης των μπουλονιών, παρέχοντας τεχνική υποστήριξη για την πρόληψη αστοχίας μπουλονιών, τη συντήρηση του εξοπλισμού και τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας.

I. Κοινές Μορφές Θραύσης Μπουλονιών

1. Κάταγμα υπερφόρτωσης

Θραύση υπερφόρτωσης συμβαίνει όταν το στιγμιαίο φορτίο που εφαρμόζεται σε ένα μπουλόνι υπερβαίνει την τελική αντοχή εφελκυσμού του υλικού, που ανήκει σε τυπικό στατικό όλκιμο ή εύθραυστο κάταγμα. Αυτός ο τύπος κατάγματος συμβαίνει ξαφνικά χωρίς εμφανή σημάδια προ-αστοχίας. Για όλκιμα υλικά, η επιφάνεια θραύσης παρουσιάζει γενικά σχήμα κώνου ή κλίση 45 μοιρών με τραχιές επιφάνειες και σημαντική πλαστική παραμόρφωση. Για εύθραυστα μπουλόνια υψηλής αντοχής, η επιφάνεια θραύσης είναι σχετικά επίπεδη με αμελητέα πλαστική παραμόρφωση.

Αιτίες κατάγματος: Η παράλογη δομική σχεδίαση οδηγεί σε μικρότερη επιλογή μπουλονιών και ανεπαρκές περιθώριο φορτίου, με αποτέλεσμα τη μακροχρόνια λειτουργία υπερφόρτωσης. Οι ξαφνικές μη φυσιολογικές συνθήκες εργασίας, όπως τα κρουστικά φορτία και οι παροδικές υπερφορτώσεις κατά τη λειτουργία του εξοπλισμού, μπορούν επίσης να προκαλέσουν στιγμιαία υπερφόρτωση ορίου. Για παράδειγμα, τα μπουλόνια σύνδεσης των μηχανισμών ανύψωσης γερανού μπορεί να υποστούν θραύση υπερφόρτωσης κατά την ανύψωση φορτίων υπέρβαρων.

2. Κάταγμα κόπωσης

Το κάταγμα κόπωσης είναι η πιο κοινή μορφή αστοχίας των μπουλονιών. Κάτω από μακροπρόθεσμα κυκλικά φορτία όπως εναλλασσόμενη τάση, συμπίεση, κάμψη και δόνηση, οι μικρορωγμές κόπωσης ξεκινούν σε περιοχές συγκέντρωσης τάσεων. Οι ρωγμές επεκτείνονται σταδιακά με τους κύκλους φόρτωσης, μειώνοντας συνεχώς την αποτελεσματική περιοχή έδρασης και τελικά οδηγούν σε ξαφνική θραύση, ακόμη και αν το φορτίο εργασίας δεν υπερβαίνει την ονομαστική τιμή. Το κάταγμα κόπωσης συμβαίνει χωρίς εμφανή πλαστική παραμόρφωση. Η επιφάνεια του σπασίματος είναι γενικά λεία με τυπικές υφές που μοιάζουν με κέλυφος ή ετήσιες δακτυλιοειδή.

Αιτίες κατάγματος: Η μακροχρόνια παλινδρομική κίνηση και οι κραδασμοί υψηλής συχνότητας του εξοπλισμού υποβάλλουν τα μπουλόνια σε περιοδική εναλλασσόμενη τάση. Για παράδειγμα, τα μπουλόνια της μπιέλας των κινητήρων αυτοκινήτων αντέχουν σε κυκλική τάση και φορτία συμπίεσης από την παλινδρομική κίνηση υψηλής συχνότητας των εμβόλων και των μπιελών, με αποτέλεσμα συσσωρευμένη ζημιά κόπωσης και ενδεχόμενο κάταγμα κόπωσης.

3. Κάταγμα διάβρωσης

Όταν τα μπουλόνια λειτουργούν σε διαβρωτικά περιβάλλοντα, εμφανίζεται χημική ή ηλεκτροχημική διάβρωση στο υλικό βάσης, δημιουργώντας επιφανειακά ελαττώματα όπως σκουριά και διάβρωση με λακκούβες. Αυτά τα ελαττώματα μειώνουν την αποτελεσματική περιοχή ρουλεμάν και τη μηχανική αντοχή των μπουλονιών, οδηγώντας σε θραύση υπό κανονικά φορτία εργασίας. Στις επιφάνειες θραύσης μπορούν να παρατηρηθούν προϊόντα διάβρωσης όπως στρώματα σκουριάς και λάκκοι διάβρωσης.

Αιτίες κατάγματος: Τα μπουλόνια που χρησιμεύουν σε υγρά, διαβρωτικά περιβάλλοντα με ψεκασμό άλατος ή όξινη βάση είναι επιρρεπή σε αστοχίες διάβρωσης, όπως εγκαταστάσεις δομικού χάλυβα κοντά στη θάλασσα και χημικός βιομηχανικός εξοπλισμός. Για παράδειγμα, τα μπουλόνια σύνδεσης στα καταστρώματα πλοίων διαβρώνονται συνεχώς από θαλασσινό νερό και ψεκασμό αλατιού, με αποτέλεσμα την υποβάθμιση του υλικού και τη διάβρωση.

4. Κάταγμα από διάβρωση καταπόνησης

Η θραύση διάβρωσης λόγω τάσης αναφέρεται σε εύθραυστη θραύση που συμβαίνει υπό τη συνδυασμένη δράση σταθερής εφελκυστικής τάσης και ειδικών διαβρωτικών μέσων. Η ρωγμή αναπτύσσεται αργά στο αρχικό στάδιο χωρίς εμφανή συμπτώματα αστοχίας και εμφανίζεται ξαφνικό κάταγμα μόλις η ρωγμή φτάσει στο κρίσιμο μέγεθος. Η επιφάνεια θραύσης παρουσιάζει διπλά χαρακτηριστικά αστοχίας λόγω καταπόνησης και βλάβης από διάβρωση.

Αιτίες κατάγματος: Ορισμένα υλικά μπουλονιών ενδέχεται να δημιουργήσουν και να επεκτείνουν ρωγμές διάβρωσης υπό τάση υπό χαμηλή σταθερή τάση εφελκυσμού σε συγκεκριμένα διαβρωτικά περιβάλλοντα. Χαρακτηριστική περίπτωση είναι η θραύση από διάβρωση λόγω τάσης των μπουλονιών από ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα σε περιβάλλοντα πλούσια σε χλωριούχα.

5. Θραύση υδρογόνου ευθραυστότητας

Κατά την κατασκευή ή τη συντήρηση, τα άτομα υδρογόνου διεισδύουν και συσσωρεύονται μέσα στο υλικό του μπουλονιού, σχηματίζοντας μόρια υδρογόνου που παράγουν τεράστια εσωτερική πίεση. Αυτό προκαλεί ρωγμές πλέγματος και διάδοση μικρορωγμών, οδηγώντας τελικά σε εύθραυστο κάταγμα. Η ευθραυστότητα υδρογόνου είναι μια τυπική εύθραυστη αστοχία που χαρακτηρίζεται από επίπεδες επιφάνειες θραύσης και χωρίς εμφανή πλαστική παραμόρφωση.

Αιτίες κατάγματος: Τα άτομα υδρογόνου διεισδύουν στη μήτρα του χάλυβα κατά τη διάρκεια της ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, της οξίνισης, της φωσφοροποίησης και άλλων διεργασιών επιφανειακής επεξεργασίας χωρίς επαρκή επεξεργασία αφυδρογόνωσης.Μπουλόνια από χάλυβα υψηλής αντοχήςείναι πολύ ευαίσθητα στην ευθραυστότητα του υδρογόνου. Η υπερβολική συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου στο διάλυμα επιμετάλλωσης και οι ακατάλληλες διεργασίες αφυδρογόνωσης είναι τα κύρια αίτια θραύσης ευθραυστότητας υδρογόνου.

6. Κάταγμα που προκαλείται από κατασκευαστικά ελαττώματα

Εσωτερικά και επιφανειακά ελαττώματα που δημιουργούνται κατά την παραγωγή πρώτων υλών και την κατασκευή μπουλονιών αποτελούν πηγές συγκέντρωσης τάσεων. Υπό φορτίο, η τάση αυξάνεται απότομα στις θέσεις ελαττώματος, προκαλώντας την έναρξη της ρωγμής και την ταχεία διάδοση, η οποία τελικά οδηγεί σε θραύση. Τα αρχικά χαρακτηριστικά κατασκευαστικού ελαττώματος μπορούν να παρατηρηθούν ξεκάθαρα στην επιφάνεια του σπασίματος.

Αιτίες κατάγματος: Ελαττώματα πρώτης ύλης όπως εγκλείσματα, πορώδες, κοιλότητες συρρίκνωσης και διαχωρισμός. Ο ακατάλληλος έλεγχος των διεργασιών σφυρηλάτησης, θερμικής επεξεργασίας και τόρνευσης προκαλεί ρωγμές απόσβεσης, ρωγμές λείανσης, σημάδια εργαλείων και γρατσουνιές.

II. Τρεις χαρακτηριστικές ζώνες θραύσης υπερφόρτωσης μπουλονιών

1. Ζώνη ινών

Θέση: Βρίσκεται στο κέντρο της επιφάνειας του κατάγματος και χρησιμεύει ως ζώνη έναρξης και αρχικής διάδοσης της ρωγμής.

Μορφολογικά Χαρακτηριστικά: Η επιφάνεια είναι τραχιά και ινώδης με ορατή πλαστική παραμόρφωση και μικροκενό συσσωμάτωση, που είναι τυπικό χαρακτηριστικό της όλκιμης θραύσης.

Μηχανισμός Σχηματισμού: Στο αρχικό στάδιο θραύσης, το υλικό του μπουλονιού υφίσταται πλαστική ρεολογία υπό τάση. Τα μικροκενά δημιουργούν, αναπτύσσονται, συσσωματώνονται και συνδέονται για να σχηματίσουν τη μορφολογία του ινώδους κατάγματος.

2. Ζώνη ακτινοβολίας

Θέση: Βρίσκεται εκτός της ζώνης ινών, που αντιστοιχεί στο στάδιο ταχείας διάδοσης ρωγμών.

Μορφολογικά Χαρακτηριστικά: Η επιφάνεια του κατάγματος είναι σχετικά επίπεδη με καθαρές ακτινικές ή ψαροκόκαλες υφές που εκτείνονται προς τα έξω από το κέντρο.

Μηχανισμός Σχηματισμού: Όταν η αρχική ρωγμή επεκτείνεται στο κρίσιμο μέγεθος, εισέρχεται στο στάδιο της ταχείας διάδοσης. Η συγκέντρωση έντονης τάσης στο άκρο της ρωγμής προκαλεί ταχεία διακοκκώδη ή διακοκκώδη σχίσιμο, σχηματίζοντας μορφολογία ακτινωτού κατάγματος.

3. Ζώνη χειλιών διάτμησης

Θέση: Κατανέμεται στο πιο εξωτερικό άκρο της επιφάνειας του κατάγματος, που σχηματίζεται στο τελικό στάδιο του κατάγματος.

Μορφολογικά Χαρακτηριστικά: Η επιφάνεια είναι λεία και κεκλιμένη με τυπικά χαρακτηριστικά διατμητικής ολίσθησης, σχηματίζοντας ένα δακτυλιοειδές χείλος διάτμησης, το οποίο είναι το τελικό χαρακτηριστικό της όλκιμης θραύσης.

Μηχανισμός Σχηματισμού: Στο τελικό στάδιο της θραύσης, το υπολειμματικό υλικό γλιστρά και σχίζεται κατά μήκος του μέγιστου επιπέδου διάτμησης υπό υψηλή τάση, προκαλώντας πλαστική διατμητική παραμόρφωση και σχηματίζοντας τη δομή του χείλους διάτμησης.

777

III. Κοινές θέσεις του κατάγματος υπερφόρτωσης μπουλονιών

888

1. Πρώτο δόντι κλωστής κοντά στην επιφάνεια έδρασης παξιμαδιών

Τα φορτία των συνδέσεων των μπουλονιών μεταδίδονται κυρίως μέσω των δοντιών του σπειρώματος πλέγματος. Το πρώτο δόντι σπειρώματος κοντά στην επιφάνεια που φέρει το παξιμάδι φέρει το μεγαλύτερο φορτίο και παρουσιάζει τη μεγαλύτερη συγκέντρωση τάσης. Είναι η πιο ευαίσθητη θέση για κάταγμα υπερφόρτωσης κατά τη διάρκεια μακροχρόνιας σέρβις.

2. Ρίζα νήματος στη μετάβαση μεταξύ κεφαλής μπουλονιού και κορμού

Η ρίζα του νήματος παρουσιάζει απότομες γεωμετρικές αλλαγές και υψηλό συντελεστή συγκέντρωσης τάσεων. Με πολύπλοκες καταστάσεις τάσης, γίνεται το δομικό αδύναμο σημείο των μπουλονιών και είναι επιρρεπές σε θραύση υπό υπερφόρτωση και κρουστικά φορτία.

3. Ζώνη μετάβασης μεταξύ λείου κορμού και τμήματος νήματος

Οι απότομες αλλαγές στο μέγεθος και τη δομή της διατομής στη διασταύρωση λείου στελέχους και τμήματος νήματος προκαλούν εμφανή συγκέντρωση τάσεων και ανομοιόμορφη κατανομή τάσεων. Αυτή η θέση δημιουργεί εύκολα την έναρξη της ρωγμής υπό συνθήκες υπερφόρτωσης και οδηγεί σε αστοχία θραύσης.

IV. Καταστάσεις θραύσης μπουλονιών υπό διαφορετικές μορφές φόρτωσης

1. Κάταγμα υπό τάση εφελκυσμού

Μπορεί να παρατηρηθεί τυπικό κάταγμα κυπέλλου-κώνου και εμφανής συνολική επιμήκυνση και παραμόρφωση του λαιμού. Για μπουλόνια υψηλής σκληρότητας υπό υπερφόρτιση εφελκυσμού, το τελικό τμήμα θραύσης σχηματίζει μια γωνία διάτμησης περίπου 45 μοιρών με τον άξονα του μπουλονιού, που ανήκει στο τυπικό όλκιμο κάταγμα υπερφόρτισης, το οποίο συμβαίνει κυρίως στη θέση της ρίζας ασθενούς σπειρώματος.

999

2. Κάταγμα υπό κρουστική καταπόνηση και ροπή κάμψης

Ακτινωτές υφές και χείλη διάτμησης μπορούν να παρατηρηθούν στην επιφάνεια του κατάγματος, ενώ τα χείλη διάτμησης είναι ημιτελή και άνισα κατανεμημένα χωρίς πλήρες δακτυλιοειδές σχήμα. Το κάταγμα παρουσιάζει μικρή πλαστική παραμόρφωση και εμφανή εύθραυστα χαρακτηριστικά, που προκαλούνται κυρίως από στιγμιαία κρούση και φορτία κάμψης.

101010

3. Κάταγμα υπό συνδυασμένη τάση στρέψης και τάσης

Κάτω από συνδυασμένα φορτία στρέψης και εφελκυσμού, η επιφάνεια θραύσης εμφανίζει εμφανείς στροβιλιζόμενες στρεπτικές υφές, καθώς και μορφολογίες σε σχήμα ημισελήνου ή βεντάλιας. Η ευδιάκριτη παραμόρφωση και μετατόπιση της θραύσης σχηματίζεται από σχετική ολίσθηση και σχίσιμο των υλικών κατά μήκος του διατμητικού επιπέδου υπό στρεπτική διατμητική δύναμη.

111111